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KR101426826B1 - Variable Resistance Type Droop Control Appratus and the Method for Stand-alone Micro-grid - Google Patents

Variable Resistance Type Droop Control Appratus and the Method for Stand-alone Micro-grid Download PDF

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KR101426826B1
KR101426826B1 KR1020130011074A KR20130011074A KR101426826B1 KR 101426826 B1 KR101426826 B1 KR 101426826B1 KR 1020130011074 A KR1020130011074 A KR 1020130011074A KR 20130011074 A KR20130011074 A KR 20130011074A KR 101426826 B1 KR101426826 B1 KR 101426826B1
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KR
South Korea
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energy storage
storage device
droop
resistance
power
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KR1020130011074A
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Korean (ko)
Inventor
한병문
이지헌
Original Assignee
명지대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 독립형(stand-alone) DC 마이크로그리드(micro-grid)를 위한 드룹(droop) 제어 장치 및 방법에 관한 것으로서, 에너지 저장장치의 충전 상태(SOC)와 그리드 전압을 고려하여 에너지 저장장치의 드룹 제어기의 등가 저항을 변경함으로써 에너지 저장장치의 부담을 줄이면서도 마이크로그리드의 전력 균형을 효과적으로 제어한다. 구체적으로 에너지 저장장치는 드룹 제어 방식을 사용하여 충전 상태에 따라 정상 모드와 저전력 모드로 구분되어 동작하며 정상 모드에서도 그리드 전압에 따라 감당 전력을 다르게 제어함으로써 에너지 저장장치의 수명을 늘리면서도 그리드 전력을 효율적으로 제어할 수 있다. The present invention relates to a droop control apparatus and method for a stand-alone DC micro-grid, and more particularly, to a droop control apparatus and method for a stand-alone DC micro-grid, By changing the equivalent resistance of the droop controller, the power balance of the microgrid is effectively controlled while reducing the burden on the energy storage device. Specifically, the energy storage device is divided into a normal mode and a low-power mode according to a charge state by using a droop control method. In the normal mode, the grid power is controlled differently according to a grid voltage, And can be controlled efficiently.

Figure R1020130011074
Figure R1020130011074

Description

독립형(stand-alone) 마이크로그리드를 위한 가변 저항 방식의 드룹 제어 장치 및 방법 {Variable Resistance Type Droop Control Appratus and the Method for Stand-alone Micro-grid}Technical Field [0001] The present invention relates to a variable resistance type droop control apparatus and method for a stand-alone micro-grid,

본 발명은 직류(DC) 마이크로그리드(micro-grid) 전력망의 제어 장치 및 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로 본 발명은 마이크로그리드 전력망에 포함된 에너지 저장장치의 제어에 가변 등가 저항값을 가지는 드룹 제어 방법을 적용하여 에너지 저장장치의 부담을 줄이면서도 마이크로그리드 전력망을 효과적으로 제어하기 위한 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a control apparatus and method of a direct current (DC) micro-grid power network. More particularly, the present invention relates to a control device and method for effectively controlling a micro grid power network while reducing the burden on an energy storage device by applying a droop control method having a variable equivalent resistance value to control an energy storage device included in a micro grid power network .

최근 스마트그리드의 대두와 함께 국내외적으로 도서지방이나 오지에서는 풍력, 태양광 등의 분산전원과 에너지 저장장치를 이용하여 기존 전력망과 독립된 형태의 마이크로그리드 전력망이 많이 사용되고 있으나, 고장이 많고 낮은 신뢰성으로 인해 빈번한 유지보수가 필요한 문제가 있다.Recently, the micro grid power grid, which is independent of the existing power grid, has been widely used in the island and remote areas of the country, along with the rise of the smart grid, by using distributed power sources such as wind power and solar power and energy storage devices. However, There is a problem that requires frequent maintenance.

마이크로그리드 전력망은 연계방식과 제어방법에 따라 분류할 수 있다. 연계방식에 따라 분류하면, 구성요소들을 교류로 연결한 AC 마이크로그리드와 직류로 연결한 DC 마이크로그리드로 구분할 수 있다. AC 마이크로그리드는 기존의 배전망을 그대로 활용하는 장점이 있으나, 동기화, 안정도, 무효전력 문제를 야기한다. 반면 DC 마이크로그리드는 동기화, 안정도, 무효전력에 대한 문제가 없고, 각 전원에서 생산되는 전력을 연계함에 있어 2단계 전력변환이 필요 없어 시스템의 손실과 비용이 낮은 장점이 있다. 특히 최근 사용이 급증하고 있는 디지털 부하는 대부분 직류전원을 필요로 하므로 DC 마이크로그리드의 경우 더 효율적이라는 장점이 있어, 최근 DC 마이크로그리드에 대한 관심이 집중되고 있다.The micro grid grid can be classified according to the connection method and the control method. According to the linking method, the AC microgrid connecting AC components and the DC micro grid connecting DC can be distinguished. The AC microgrid has the advantage of taking advantage of the existing distribution, but it causes synchronization, stability, and reactive power problems. DC microgrid, on the other hand, has no problems with synchronization, stability, and reactive power, and has the advantage of low system loss and cost because it does not require two-stage power conversion in linking the power produced by each power source. In particular, DC micro-grids are more efficient because the digital load, which has recently been rapidly increasing, requires a DC power source. Recently, attention has been focused on the DC micro-grid.

제어 방법에 따른 분류로는, 먼저 중앙제어기를 두고 구성요소들의 전력량을 실시간으로 측정하여 시스템을 운용하는 방식이 있다. 이 방식은 전력량을 측정하기 위한 센서와 측정된 데이터를 중앙제어기로 전송하는 통신망을 필요로 한다. 고속 통신망을 사용하여 중앙에서 각 기기들의 정보를 신속하게 전달받아 제어함으로써 전력망의 원활한 운용이 가능하다는 장점이 있지만, 풍력 발전, 태양광 발전 등의 분산전원을 사용하는 경우 풍량이나 태양 광량 등에 대한 기후 예측 알고리즘이 필요하고 통신에 대한 의존도가 높다는 단점이 있다. 또한, 이 방식은 운용 알고리즘이 전력거래에 의존하게 되어 상위 계통의 전력 균형 유지에 집중하므로 계통연계 마이크로그리드에 적합하다. As a classification according to the control method, there is a method in which a central controller is first operated and the system is operated by measuring the amount of power of the components in real time. This method requires a sensor for measuring the amount of power and a communication network for transmitting the measured data to the central controller. However, in the case of using distributed power sources such as wind power generation and photovoltaic power generation, there is a problem in that the airflow can not be maintained due to the weather There is a disadvantage in that a prediction algorithm is required and the dependence on the communication is high. In addition, this method is suitable for grid-linked microgrid because operation algorithm depends on power trading and focuses on maintaining power balance of upper system.

다른 제어 방식으로는 마이크로그리드 전력망의 각각의 요소(분산전원, 에너지 저장장치 등)에 연계된 각각의 컨버터가 연계된 요소에 대한 제어를 수행하는 자율제어방식이 있다. 이 방식은 연계되는 각 요소가 어느정도 독립적으로 자신의 동작을 스스로 제어하면서도 전체적으로 마이크로그리드 전력망의 원활한 운용을 꾀하는 방식이다. 이 방식에 의하면 고가의 통신시스템을 요구하지 않으며 가벼운 운영 알고리즘으로 자율적 수요관리가 가능하지만 기기간의 상태전달이 안되므로 에너지 저장장치에 과도한 부담을 주어 수명이 급격히 떨어질 수 있고 분산전원의 효율적인 운용이 어려우며 각 요소 간에 순환전류가 흐를 수 있다는 단점이 있다. 그러나 이 자율제어방식은 고속 통신망이 필요하지 않고 기후 예측 알고리즘 및 복잡한 제어 알고리즘을 사용할 필요가 없다는 장점이 있으므로 계통과 분리되어 운영되는 독립형(stand-alone) 마이크로그리드 전력망에 적용이 적합하다. 독립형 마이크로그리드는 기존 전력망과 단절되어 독립적으로 운영되므로 운영 시에 전력균형을 유지하는 것이 가장 중요한 요소이자 신뢰도를 결정짓는 기술이 된다.Another control scheme is an autonomous control scheme in which each converter associated with each element of the microgrid power grid (distributed power, energy storage, etc.) performs control over the associated elements. This method is a method of smoothly operating the micro grid power network as a whole, while each of the connected elements controls the operation of itself independently to some extent. According to this method, since it does not require expensive communication system and it can manage autonomous demand with light operation algorithm but it can not transfer the state between devices, it causes an excessive burden on the energy storage device, which may shorten its life span and it is difficult to efficiently operate distributed power. There is a drawback that a circulating current can flow between the elements. However, this autonomous control scheme is suitable for a stand-alone micro grid grid operating independently of the grid because it does not need a high-speed communication network and does not need to use a climate prediction algorithm and a complicated control algorithm. Since the stand-alone micro grid is disconnected from the existing power grid and operates independently, maintaining power balance during operation is the most important factor and the reliability determining technique.

이와 같이 자율제어방식을 적용할 경우 고속 통신망, 기후 예측 알고리즘 및 복잡한 중앙 제어 알고리즘이 필요없다는 장점이 있으나, 순환전류의 발생과 에너지 저장장치의 과도한 사용에 의한 수명 저하 등의 문제가 발생할 수 있다는 문제가 있다. 따라서 자율제어방식을 기반으로 하여 DC 마이크로그리드 전력망을 제어하는 경우 순환전류를 억제하면서 에너지 저장장치의 과도한 부담을 방지할 수 있는 제어 방법이 요구된다.
The autonomous control scheme has the advantage of not requiring a high-speed communication network, a climate prediction algorithm, and a complicated central control algorithm. However, it can cause problems such as generation of circulating current and degradation of lifetime due to excessive use of the energy storage device . Therefore, in the case of controlling the DC micro grid power network based on the autonomous control method, there is a need for a control method that can prevent the excessive burden of the energy storage device while suppressing the circulating current.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, DC 마이크로그리드 전력망을 자율제어방식으로 제어하면서도 순환전류를 억제하고 에너지 저장장치의 수명을 향상시킬 수 있는 DC 마이크로그리드 전력망의 제어 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
Disclosure of Invention Technical Problem [8] Accordingly, the present invention has been made keeping in mind the above problems occurring in the prior art, and it is an object of the present invention to provide a DC micro grid power grid control apparatus capable of suppressing a circulating current and improving the life of an energy storage device while controlling the DC micro grid power grid by an autonomous control method. The purpose of the method is to provide.

본 발명에 따른, 적어도 하나 이상의 분산 전원과 에너지 저장장치를 포함하는 독립형(stand-alone) 마이크로그리드를 위한 가변 저항 방식의 드룹(droop) 제어 장치는, 상기 에너지 저장장치의 제어기의 전압 기준값(Vdroop)이 아래의 [수학식 1]에 의해 설정되어 상기 에너지 저장장치가 상기 마이크로그리드로 전력을 공급하거나 전력을 수용하여 상기 마이크로그리드의 전력 균형을 조절하도록 하는 에너지 저장장치의 드룹 제어기를 포함하고, 상기 드룹 제어기의 등가 저항(Rv)은 에너지 저장장치의 충전 상태에 따라 저항값이 다르게 설정되는 것을 특징으로 한다.According to the present invention, a variable resistance type droop control device for a stand-alone micro-grid including at least one distributed power source and an energy storage device includes a voltage reference value Vdroop ) Comprises a droop controller of an energy storage device set by Equation (1) below to cause the energy storage device to supply power to the microgrid or adjust power balance of the microgrid by receiving power, The equivalent resistance (Rv) of the droop controller is characterized in that the resistance value is set differently according to the charged state of the energy storage device.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112013009418459-pat00001
Figure 112013009418459-pat00001

여기서, VDROOP 은 전압 제어 기준값, VRate 는 정격 전압, Rv는 등가 저항, IES 는 에너지 저장장치의 출력 전류이다.
Where V DROOP is the voltage control reference value, V Rate is the rated voltage, Rv is the equivalent resistance, and I ES is the output current of the energy storage device.

또한 본 발명에 따른, 적어도 하나 이상의 분산 전원과 에너지 저장장치를 포함하는 독립형(stand-alone) 마이크로그리드를 위한 가변 저항 방식의 드룹(droop) 제어 방법은, 상기 에너지 저장장치의 드룹 제어기는, 제어기의 전압 기준값(Vdroop)이 아래의 [수학식 1]에 의해 설정되어 상기 에너지 저장장치가 상기 마이크로그리드로 전력을 공급하거나 전력을 수용하여 상기 마이크로그리드의 전력 균형을 조절하도록 에너지 저장장치를 제어하고, 상기 드룹 제어기의 등가 저항(Rv)은 에너지 저장장치의 충전 상태에 따라 저항값이 다르게 설정되는 것을 특징으로 한다.In accordance with another aspect of the present invention, there is provided a droop control method of a variable resistance type for a stand-alone micro-grid including at least one distributed power source and an energy storage device, The voltage reference value Vdroop of the micro grid is set by the following equation (1) so that the energy storage device supplies power to the microgrid or receives power to control the energy storage device to regulate the power balance of the microgrid , And an equivalent resistance (Rv) of the droop controller is set to have a different resistance value depending on the charged state of the energy storage device.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112013009418459-pat00002
Figure 112013009418459-pat00002

여기서, VDROOP 은 전압 제어 기준값, VRate 는 정격 전압, Rv는 등가 저항, IES 는 에너지 저장장치의 출력 전류이다.
Where V DROOP is the voltage control reference value, V Rate is the rated voltage, Rv is the equivalent resistance, and I ES is the output current of the energy storage device.

본 발명에 따른 DC 마이크로그리드 전력망을 위한 가변 저항 방식의 드룹 제어 방법에 의하면 전력망을 구성하는 요소 간의 순환 전류가 억제되고 에너지 저장장치의 과도한 사용을 제한하여 수명을 향상시키며 마이크로그리드 전력망의 전체적인 운용의 신뢰도를 높일 수 있는 장점이 있다.
According to the droop control method of the variable resistance type for the DC micro-grid power grid according to the present invention, circulation current between the elements constituting the power grid is suppressed, the excessive use of the energy storage device is restricted to improve the service life, There is an advantage that reliability can be increased.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형 DC 마이크로그리드(micro-grid) 전력망의 개념도
도 2는 드룹(droop) 제어기의 블록도
도 3은 에너지 저장장치의 드룹 제어 방법을 예시적으로 설명하기 위한 드룹 곡선 그래프
도 4는 충전 상태에 따른 에너지 저장장치의 제어 개념도
도 5는 충전 상태와 그리드 전압에 따른 에너지 저장장치의 동작 흐름도
1 is a conceptual diagram of a stand-alone DC micro-grid power network according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a block diagram of a droop controller
FIG. 3 is a graph showing a droop curve graph for illustrating the droplet control method of the energy storage device
4 is a conceptual diagram of the control of the energy storage device according to the state of charge
FIG. 5 is a flowchart showing the operation of the energy storage device according to the charging state and the grid voltage.

본 발명은 하기의 설명에 의하여 달성될 수 있다. 하기의 설명은 본 발명의 바람직한 실시예를 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.The present invention can be achieved by the following description. It is to be understood that the following description is of a preferred embodiment of the present invention, and the present invention is not limited thereto.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 독립형(stand-alone) 마이크로그리드(micro-grid) 전력망의 개념도이다. 본 발명에 따른 독립형 마이크로그리드 전력망은 에너지 저장장치(ES: energy storage, 110), 전력을 소모하는 부하(Load, 210)풍력 발전기(WG: wind generator, 310), 태양광 어레이(PV: photovoltaic array, 410), 엔진 발전기(EG: engine generator, 510) 등의 전력 요소를 필요에 따라 선택적으로 포함한다. 전력 요소는 각각의 전력변환용 컨버터(120, 220, 320, 420, 520)를 구비하여 각 전력 요소와 DC 그리드 사이의 필요한 전력 변환을 수행한다. 1 is a conceptual diagram of a stand-alone micro-grid power network according to an embodiment of the present invention. The independent microgrid power grid according to the present invention includes an energy storage unit (ES) 110, a load unit 210, a wind generator (WG) 310, a photovoltaic array (PV) , 410, and an engine generator (EG) 510, as needed. The power elements include respective power conversion converters 120, 220, 320, 420, 520 to perform the required power conversion between each power element and the DC grid.

에너지 저장장치의 드룹 제어기(130)는 드룹(droop) 제어 기법을 활용하여 에너지 저장장치(110)와 DC 그리드 사이의 전력 흐름을 제어하여 DC 그리드의 전체적인 전력 균형을 조절한다. 또한 풍력 발전기, 태양광 어레이, 엔진 발전기 등의 분산 전원(DS: distributed source)은 각각의 분산 제어기(330, 430, 530)를 구비하여 독자적으로 동작하며 마이크로그리드로 전력을 공급한다. The droop controller 130 of the energy storage device controls the power flow between the energy storage device 110 and the DC grid using a droop control technique to control the overall power balance of the DC grid. Also, a distributed power source (DS) such as a wind power generator, a photovoltaic array, or an engine generator is provided independently of each of the distributed controllers 330, 430, and 530 and supplies power to the micro grid.

도 1의 풍력 발전기(WG: wind generator, 310)는 풍력을 이용하여 전력을 생산하고 이를 DC 마이크로그리드로 공급하는 역할을 수행한다. 통상적인 풍력 발전기는 회전기를 기반으로 하는 발전장치로서 출력이 교류이므로, 풍력 발전기(310)에 연계된 전력변환 컨버터(320)에서 교류를 직류로 변환하여 DC 그리드로 공급한다. 풍력 발전기는 풍속에 따라 출력이 가변되는데 주어진 기후 상황에서 최대의 출력을 얻을 수 있도록 통상적으로 최대 출력점을 추적하는 방식을 사용한다. The wind generator (WG) 310 of FIG. 1 generates power using wind power and supplies the generated power to the DC micro grid. A conventional wind turbine generator is a rotary generator based power generator, and since the output is AC, the power converter 320 connected to the wind turbine generator 310 converts the alternating current into direct current and supplies it to the DC grid. Wind turbines have variable output power depending on wind speed, typically using a maximum output point tracking method to obtain maximum output in a given weather situation.

이를 위해 풍력 발전기(310)에 연계된 전력변환 컨버터(320)는 풍속에 따라 변동하는 풍력 발전기의 출력을 최대로 얻기 위하여 MPPT(maximum power point tracking) 제어를 수행하면서 풍력 발전기의 교류 전력을 직류로 변환하여 DC 그리드에 공급할 수 있다. 풍력 발전기로는 DC 그리드에 연결하기 용이하며 가용범위가 넓은 PMSG(permanent magnet synchronous generator)를 사용하는 것이 바람직하다. 풍력 발전기의 각속도가 일정하도록 전류제어를 하면 블레이드의 출력 계수가 최대가 되므로 기계적 출력을 최대로 할 수 있다. To this end, the power conversion converter 320 connected to the wind power generator 310 performs maximum power point tracking (MPPT) control in order to maximize the output of the wind power generator which varies according to the wind speed, Can be converted and supplied to the DC grid. As a wind turbine generator, it is preferable to use a PMSG (permanent magnet synchronous generator) which is easy to connect to a DC grid and has a wide range of availability. When the current control is performed so that the angular velocity of the wind turbine is constant, the output coefficient of the blade becomes the maximum, so that the mechanical output can be maximized.

태양광 어레이(PV, photovoltaic array, 410)는 태양광으로부터 전기 에너지를 생산하는 통상적인 태양광 소자를 사용할 수 있다. 태양광 어레이에 연결된 전력변환 컨버터(420)는 태양광 어레이의 출력을 변환하여 DC 그리드에 공급하는 역할을 하는데, 일사량과 온도에 의해 출력이 변동하는 태양광 어레이로부터 항상 최대 출력을 얻기 위해서 MPPT(Maximum Power Point Tracking) 제어를 수행하는 것이 바람직하다. 일반적으로 태양광 어레이의 개방상태의 전압레벨이 그리드 전압에 비해 낮기 때문에 태양광 전력변환 컨버터(420)는 전압을 높일 수 있는 승압 기능을 가진 DC-DC 컨버터를 사용함이 바람직하다. 승압용 DC-DC 컨버터의 일예로 부스트 컨버터를 사용할 수 있다. MPPT 제어 방법을 사용하는 경우 출력에는 특정 주파수의 리플이 포함되므로 이 전류 리플을 저감하기 위하여 3상 인터리브 부스트 DC-DC 컨버터(3-phase interleaved Boost DC-DC converter)를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 또한, MPPT 제어 기법 중에서도 Perturbation & Observation 기법을 사용하면 구현이 용이하면서도 안정적으로 제어가 가능하다는 장점이 있다. A photovoltaic array (PV) array 410 may use conventional photovoltaic devices that produce electrical energy from sunlight. The power conversion converter 420 connected to the solar array serves to convert the output of the solar array and supply it to the DC grid. In order to always obtain the maximum output from the solar array whose output varies depending on the irradiation amount and temperature, MPPT Maximum Power Point Tracking) control. In general, since the voltage level of the open state of the solar array is lower than the grid voltage, the solar power conversion converter 420 preferably uses a DC-DC converter having a boost function capable of raising the voltage. As an example of the step-up DC-DC converter, a boost converter can be used. When using the MPPT control method, it may be desirable to use a three-phase interleaved Boost DC-DC converter to reduce this current ripple because the output contains a ripple of a certain frequency . In addition, among the MPPT control techniques, the Perturbation & Observation technique is advantageous in that it can be implemented easily and stably.

도 1의 엔진 발전기(EG: engine generator, 510)는 연계된 EG 분산 제어기(530)로부터 DC 그리드 전압에 따른 전력 지령을 인가받고 그에 따라 적절한 전력을 DC 그리드로 공급하는 역할을 수행한다. 엔진 발전기의 전력변환 컨버터(520)는 교류인 엔진 발전기 출력을 직류로 변환하여 그리드로 공급한다. 엔진 발전기의 출력을 조절하는 방법으로는 각속도 제어 방식을 사용하는 것이 바람직하다. The engine generator (EG) 510 of FIG. 1 receives a power command according to the DC grid voltage from the associated EG dispersion controller 530, and supplies appropriate power to the DC grid. The power conversion converter 520 of the engine generator converts the alternating-current engine generator output to direct current and supplies it to the grid. As the method of controlling the output of the engine generator, it is preferable to use the angular speed control method.

부하(load, 210)는 전력을 소비하는 전력 요소로서 마이크로그리드로부터 전력을 공급받아 소비하는 구성이다. 부하와 그리드 사이에 구비된 전력변환 컨버터(220)는 직류인 그리드 전압을 부하에서 요구하는 적절한 형태의 전원으로 변환하여 부하에 전력을 공급한다. 일반적으로 부하에는 교류부하와 직류부하가 있을 수 있다. 교류부하에 전력을 공급하기 위해서는 직류인 그리드 전압을 교류로 변환하는 직류/교류 인버터를 통해 부하가 요규하는 교류로 변환하여 공급한다. 예를 들어, 가정용 부하인 경우 부하용 전력변환 컨버터(220)가 일반 가정에서 사용하는 단상 220V 교류로 변환하여 공급할 수 있다. 디지털 부하 등의 직류부하의 경우는 직류그리드에 DC-DC 컨버터를 통하여 직류 전압 레벨을 변환하여 공급할 수 있다. 이와 같이 DC 마이크로그리드의 경우 교류 변환 과정 없이 직류 전원을 요구하는 디지털 부하에 전압 레벨만 변환하여 공급이 가능하므로 손실, 비용, 크기의 절감이 가능하다는 장점이 있다.A load (load) 210 is a power element consuming power and consuming power from the micro grid. The power conversion converter 220 provided between the load and the grid converts the direct current grid voltage into a proper type of power required by the load to supply power to the load. Generally, there may be an AC load and a DC load in the load. In order to supply power to an AC load, a DC / AC inverter that converts the DC grid voltage to AC is converted into a desired AC load and supplied. For example, in the case of a household load, the load power conversion converter 220 can be converted into a single-phase 220V AC used in a household and supplied. In the case of a DC load such as a digital load, the DC voltage level can be converted and supplied to the DC grid through the DC-DC converter. In this way, the DC micro grid can be converted to a digital load that requires DC power without AC conversion process, so that it is possible to supply only the voltage level, which is advantageous in that loss, cost, and size can be reduced.

다음으로 도 1의 에너지 저장장치(ES: energy storage, 110)와 그 관련 구성에 대해 설명한다. 앞서 설명한 바와 같이 풍력 발전기, 태양광 어레이 및 엔진 발전기는 전력을 공급하기 위한 분산된 전원이고 부하는 전력을 소비하기 위한 구성이다. 이들 분산전원에서 생성되는 전력과 부하가 소비하는 전력 사이에 균형이 맞지 않는 경우 에너지 저장장치(110)가 전력을 수용하거나 공급하면서 마이크로그리드 전력망의 전력 균형을 조절하는 기능을 한다. 에너지 저장장치에는 통상적으로 에너지 저장을 위해 사용되는 소자를 사용할 수 있고, 그 대표적인 예로 배터리, 연료 전지 등을 들 수 있다.Next, an energy storage device (ES) 110 of FIG. 1 and its related configuration will be described. As described above, the wind turbine, the solar array, and the engine generator are distributed power supplies for power supply, and the load is a configuration for consuming power. The energy storage device 110 functions to adjust the power balance of the micro grid power grid while receiving or supplying the power when the balance between the power generated by these distributed power sources and the power consumed by the load is not balanced. As the energy storage device, an element usually used for energy storage can be used, and typical examples thereof include a battery and a fuel cell.

에너지 저장장치(110)에 연결된 전력변환 컨버터(120)는 직류인 그리드 전압과 에너지 저장장치 사이에서 양방향 전력 변환 및 전력 전달 기능을 수행하면서 그리드의 전력을 제어한다. 즉, 에너지 저장장치는 그리드로부터 전력을 공급받아 저장하기도 하고 저장된 전력를 그리드로 공급하기도 하여야 하므로, 전력변환 컨버터(120)는 그리드와 에너지 저장장치 사이에서 양방향으로 전력을 전달할 수 있는 양방향 DC-DC 컨버터가 사용되는 것이 바람직하다. 특히 에너지 저장장치에 주로 사용되는 배터리는 유입되는 전류에 고조파 함유율이 낮을 것이 요구되고 충·방전시의 전류리플이 배터리의 수명에 영향을 주므로 전류리플 저감을 위해 양방향 3상 인터리브 DC-DC 컨버터(Bidirectional 3-phase Interleaved DC-DC converter)를 사용하는 것이 바람직하다.
The power conversion converter 120 connected to the energy storage device 110 controls the power of the grid while performing bi-directional power conversion and power transfer functions between the DC grid voltage and the energy storage device. That is, since the energy storage device must supply power from the grid and store or supply the stored power to the grid, the power conversion converter 120 may be a bidirectional DC-DC converter capable of transmitting power in both directions between the grid and the energy storage device Is preferably used. In particular, batteries used mainly in energy storage devices require low harmonic content in the incoming current, and current ripple during charging and discharging affects the life of the battery. Therefore, a bidirectional three-phase interleaved DC-DC converter Bidirectional 3-phase interleaved DC-DC converter).

다음으로 본 발명에 따른 독립형 마이크로그리드를 위한 드룹(droop) 제어 방법에 대해 설명한다. Next, a droop control method for a stand-alone microgrid according to the present invention will be described.

독립형 마이크로그리드는 기존 전력망과 단절되어 있기 때문에 운영 시에 전력 균형을 유지하는 것이 가장 중요한 요소이자 신뢰도를 결정짓는 기술이다. 본 발명에 따른 드룹(Droop) 제어 방법에서는 분산전원들과 에너지 저장장치가 각각 자율적으로 제어를 수행하면서도 드룹 제어 방법에 의하여 순환 전류의 발생이 없이 전력균형을 유지하는 방법을 사용한다.Since the stand-alone micro grid is disconnected from the existing grid, maintaining power balance during operation is the most important factor and determines the reliability. In the droop control method according to the present invention, the distributed power supplies and the energy storage devices each independently control the power, but the power balance is maintained without generating the circulating current by the droop control method.

이를 위해 에너지 저장장치에서는 드룹 제어 방법을 사용하여 순환 전류를 억제하면서 그리드 전압을 조절하되, 에너지 저장장치의 충전상태(SOC: stae of charge)에 따른 운전 영역을 설정하여 에너지 저장장치의 보호도 고려한다. For this purpose, the energy storage device uses the droop control method to control the grid voltage while suppressing the circulating current, and also sets the operation area according to the state of charge (SOC) of the energy storage device to consider the protection of the energy storage device do.

이러한 본 발명에 따른 드룹 제어 방법에 대해 구체적으로 설명하기 위해, 먼저 도 2 및 도 3을 통해 그리드의 전력을 제어하는 에너지 저장장치용 전력변환 컨버터(120)의 드룹 제어 방법에 대해 설명하고, 도 4 및 도 5를 통해 본 발명에 따른 에너지 저장장치의 동작 시퀀스에 대해 설명한다. 이하에서는 본 발명에 따른 드룹 제어 방법을 에너지 저장장치에 적용하는 경우에 대하여 설명할 것이나 드룹 제어 방법은 에너지 저장장치 뿐만 아니라 분산전원들에도 적용될 수 있다.In order to describe the droop control method according to the present invention in detail, a droop control method of the power conversion converter 120 for the energy storage device for controlling the power of the grid will be described with reference to FIGS. 2 and 3, 4 and FIG. 5, an operation sequence of the energy storage device according to the present invention will be described. Hereinafter, a droop control method according to the present invention will be described. However, the droop control method can be applied not only to an energy storage device but also to distributed power sources.

참고로 도 2 내지 도 5 및 관련 설명에서는 설명의 편의상 동작 모드를 결정하기 위한 그리드 전압값에 대해 ±5%, ±3% 등의 값을 사용하고, 에너지 저장장치의 충전 상태에 대해 55% ~ 85%, 그리드 전압의 정격값에 대해 400V, 에너지 저장장치의 충방전 전력에 대해 100%, 70%, 10% 등의 값을 사용하는 것으로 예시하였으나, 이러한 값들은 일 실시예로서 본 발명에 따른 효과를 극대화할 수 있는 값으로 예시한 것이다. 하지만 설계 여건에 따라 이와는 다른 값이 사용될 수도 있음은 물론이다.2 to 5 and the related description, values of ± 5%, ± 3%, and the like are used for the grid voltage value for determining the operation mode for convenience of explanation, 85%, 400V for the rated value of the grid voltage, and 100%, 70%, and 10% for the charge / discharge power of the energy storage device. However, these values are used as examples according to the present invention The values are given as values that can maximize the effect. However, other values may be used depending on the design conditions.

또한, 도 2 내지 도 4 및 관련 설명에서 그리드 전압의 '5%'라는 기재는 그리드 정격 전압의 5% 상승값(즉, 정격 전압의 105%), 그리드 전압의 '-5%'라는 기재는 정격 전압의 5% 감소값(즉, 정격 전압의 95%)를 의미한다. ±3%, ±1% 등의 기재도 동일한 방식으로 이해할 수 있다.It should also be noted that the description "5% of the grid voltage" in FIGS. 2 to 4 and related description refers to a 5% increase in the grid rated voltage (ie, 105% of the rated voltage) Means a 5% reduction in the rated voltage (ie 95% of the rated voltage). ± 3%, ± 1%, etc. can be understood in the same manner.

본 발명의 일 실시예인 독립형 DC 마이크로그리드에서는 각 전력 요소 간에 정보를 송수신하지 않는 자율제어 방식을 사용한다. 자율제어 방식을 사용하면 2대 이상의 전력변환 컨버터에서 각각 직류 그리드의 전압(Vdc)을 제어하도록 설정하게 되며 각 구성요소가 전압제어를 하는데 있어서 센서의 오차, 제어기의 오차, 선로 임피던스에 의해서 출력 전압에 차이가 발생하게 되면 순환전류가 필연적으로 발생하게 된다. 순환전류는 교류의 무효전력과 유사하여 시스템 전체의 손실과 직결되는 부분이며, 연계되는 기기에 여러 가지 악영향을 줄 수 있기 때문에 순환전류를 억제하기 위한 제어 방법이 반드시 필요하다.In the stand-alone DC micro-grid, which is one embodiment of the present invention, an autonomous control scheme that does not transmit and receive information between each power element is used. If the autonomous control method is used, each of the two or more power conversion converters is set to control the voltage (Vdc) of the DC grid. In the voltage control of each component, the error of the sensor, the error of the controller, A circulating current is inevitably generated. The circulating current is similar to the AC reactive power and is directly related to the loss of the entire system. Therefore, a control method for suppressing the circulating current is necessary because it can adversely affect the equipment to be connected.

이러한 순환 전류는 전압원으로 동작하는 각 분산 전원들의 출력 전압의 차이로 인해 발생하는 것이므로, 순환 전류를 쉽게 저감하는 방법은 각 분산 전원의 출력단과 DC 그리드 사이에 실제 저항을 삽입하는 것이다. 그러나 이 방법은 손실, 비용, 크기 측면에서 비현실적이다. Since the circulating current is caused by the difference in the output voltage of each distributed power source operating as a voltage source, a method of easily reducing the circulating current is to insert an actual resistance between the output terminal of each distributed power source and the DC grid. However, this method is impractical in terms of loss, cost, and size.

따라서 본 발명에서는 도 2와 같이 에너지 저장장치용 전력변환 컨버터(120)의 출력 전압을 제어하는 제어기(131)에 출력 전류(IES)를 피드백하여 전압 기준값(VDROOP)을 변경하는 피드백 루프를 추가하였다(드룹 제어). 즉, 출력 DC 전류인 IES를 검출하여 이득 Rv(132)를 곱한 다음 그 결과를 원래 출력 전압 목표값인 VRate에서 감하여 수정된 전압 목표값인 VDROOP을 생성한다. 이 수정된 목표값인 VDROOP과 실제 출력 전압인 Vdc의 차이는 비례적분(PI) 등의 보상기(compensator, 133)를 거쳐 전류 기준값(IES_REF)이 생성되고, 실제 출력 전류가 이 전류 기준값을 추종하도록 제어함으로써 최종적으로 출력 전압인 그리드 전압(Vdc)이 수정된 전압 기준값(VDROOP)을 추종하게 된다. 2, a feedback loop for changing the voltage reference value V DROOP by feeding back the output current I ES to the controller 131 for controlling the output voltage of the power conversion converter 120 for the energy storage device (Droop control). That is, the output DC current I ES is detected and multiplied by the gain Rv 132, and the result is subtracted from the original output voltage target value V Rate to generate a modified voltage target value V DROOP . The difference between the corrected target value V DROOP and the actual output voltage Vdc is generated by a compensator 133 such as a PI or the like and a current reference value I ES_REF is generated. So that the grid voltage Vdc, which is the output voltage finally, follows the corrected voltage reference value V DROOP .

이와 같은 제어기의 기능에 의해 그리드 전압(Vdc)은 VDROOP를 추종하게 될 것이므로 그리드 전압(Vdc)은 [수학식 1]과 같이 표현할 수 있다.
Since the grid voltage Vdc will follow V DROOP by the function of the controller as described above, the grid voltage Vdc can be expressed by Equation (1).

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112013009418459-pat00003
Figure 112013009418459-pat00003

여기서, Rv는 출력단에 저항이 존재하는 것과 같은 등가저항의 역할을 한다. 즉, 출력 전류(IES)가 증가할수록 저항(Rv)의 전압 강하(Rv·IES)에 해당하는 전압만큼 감소하여 출력 전압(Vdc)이 형성되게 된다. 이와 같이 실제로는 저항이 존재하지 않아도 저항이 존재하는 것같이 출력 전압이 형성되므로 다른 컨버터들과의 출력 전압의 차이에 의해 발생하는 순환전류는 등가저항 Rv에 의해 억제가 가능함을 알 수 있다.Here, Rv serves as an equivalent resistance such that a resistor exists at the output terminal. That is, as the output current I ES increases, the output voltage Vdc is reduced by a voltage corresponding to the voltage drop Rv I ES of the resistor Rv. In this way, since the output voltage is formed as if there is a resistor even if there is no resistor, it can be seen that the circulating current generated by the difference of the output voltage with other converters can be suppressed by the equivalent resistor Rv.

에너지 저장장치의 출력 전류 최대값(IMAX)에 따른 원하는 전압 변동(△Vdc)의 크기를 설정하면 [수학식 2]와 같이 등가저항(Rv)을 구할 수 있고, 에너지 저장장치의 동작 전력(PES)을 기준으로 이 등가저항을 계산하면 [수학식 3]과 같은 결과를 얻을 수 있다. 즉, 에너지 저장장치의 동작 전력값과 그 때의 전압 변동값을 설정하면 등가저항을 구할 수 있게 되고, 이 등가저항값을 변경함으로써 에너지 저장장치의 동작 전력을 조절할 수 있게 된다.Equivalent resistance Rv can be obtained by setting the magnitude of the desired voltage variation? V dc according to the maximum output current value I MAX of the energy storage device, (Equation 3) can be obtained by calculating this equivalent resistance on the basis of the resistance P ES . That is, by setting the operation power value of the energy storage device and the voltage variation value at that time, an equivalent resistance can be obtained, and the operation power of the energy storage device can be adjusted by changing the equivalent resistance value.

[수학식 2]&Quot; (2) "

Figure 112013009418459-pat00004
Figure 112013009418459-pat00004

[수학식 3]&Quot; (3) "

Figure 112013009418459-pat00005
Figure 112013009418459-pat00005

여기서, Rv는 등가저항, △Vdc는 등가 저항에 의한 출력 전압 변동치, IES는 출력 전류, Vdcmin은 출력 전압의 최저값, PES는 에너지 저장장치의 동작 전력이다.
Here, Rv is the equivalent resistance, △ V dc output voltage fluctuation, I ES by the equivalent resistance is the output current, V dcmin is the minimum value of the output voltage, P ES is the operating power of the energy storage device.

도 3은 에너지 저장장치의 전류(IES)에 따른 DC 그리드 전압(Vdc) 변동에 대한 드룹(Droop) 곡선을 나타낸다. 드룹(Droop) 곡선은 DC 그리드의 전압과 에너지 저장장치 충전 상태(SOC)에 따라 도 3과 같이 세 영역(A, B, C)으로 분류된다. A 영역은 DC 그리드 전압이 일정 범위(예로는 정격 전압의 -5% ∼ -3% 및 3% ~ 5%)인 경우 에너지 저장장치를 최대 전력(예로는 100%)으로 사용하여 그리드 전력을 제어하는 영역이며, 이때의 등가저항(RV_100%)(제1 저항값)은 [수학식 4]와 같은 방식으로 계산할 수 있다. 정격 전압의 +3%이상 영역에서는 잉여전력이 많이 유입되므로 에너지 저장장치가 최대 전력으로 전력을 수용하게 하기 위함이다. B 영역은 DC 그리드 전압이 정격 전압의 -3% ~ 3% 구간으로서 에너지 저장장치의 충·방전 전력을 정상 전력(예로는 70%)으로 하여 그리드 전력을 제어하는 구간으로서 평상시 운전되는 영역이 된다. 에너지 저장장치의 수명을 늘리기 위해 평상시에는 에너지 저장장치 충·방전 전력을 최대 전력이 아니라 정상 전력(예로는 70%)만 사용하도록 에너지 저장장치를 관리하는 것이고, 이때의 등가저항(RV_70%)(제2 저항값)은 [수학식 5]와 같이 구할 수 있다. C 영역은 에너지 저장장치의 과충전·과방전 보호 영역으로서 충전 상태(SOC)가 정해진 운용 범위를 초과하게 되면 에너지 저장장치를 충·방전 하는 전력량을 급격히 줄여주어 에너지 저장장치를 보호하도록 하였다. 이때의 동작 전력은 최소 전력(예로는 10% 전력)이며 계산되는 등가저항(RV_10%)(제3 저항값)의 예는 [수학식 6]과 같다. 도 3에서 보듯이 각 영역마다 드룹(droop)곡선의 기울기가 변하게 되는데 이는 에너지 저장장치의 감당 전력이 달라지면서 드룹(droop)곡선을 형성하는 등가저항(Rv)이 변하기 때문이다. 3 shows a droop curve for the DC grid voltage (Vdc) variation according to the current (I ES ) of the energy storage device. The droop curve is divided into three areas (A, B, C) according to the voltage of the DC grid and the state of charge (SOC) of the energy storage device as shown in FIG. The A area controls the grid power using the energy storage device as the maximum power (100% for example) when the DC grid voltage is within a certain range (for example, -5% -3% and 3% -5% of the rated voltage) , And the equivalent resistance (R V - 100% ) (first resistance value) at this time can be calculated in the same manner as in Equation (4). In the region of + 3% of the rated voltage, surplus power is introduced so that the energy storage device can receive the power at the maximum power. B region is a region where the DC grid voltage is 3% ~ 3% of the rated voltage and the grid power is controlled by setting the charge / discharge power of the energy storage device as normal power (70% for example) . Normal power usual to increase the life of the energy storage device is not the maximum power for charging an energy storage device, the discharge power is to manage the energy storage device to use only (e.g. 70%), wherein the equivalent resistance of the (R V_70%) (Second resistance value) can be obtained as shown in the following equation (5). The C region is an over-charging and over-discharging protection region of the energy storage device, and when the state of charge (SOC) exceeds the predetermined operating range, the amount of electric energy for charging and discharging the energy storage device is sharply reduced to protect the energy storage device. The operating power at this time is the minimum power (for example, 10% power) and an example of the calculated equivalent resistance (R V - 10% ) (third resistance value) is shown in Equation (6). As shown in FIG. 3, the slope of the droop curve changes in each region because the equivalent resistance Rv forming the droop curve changes as the power storage of the energy storage device changes.

[수학식 4]&Quot; (4) "

Figure 112013009418459-pat00006
Figure 112013009418459-pat00006

[수학식 5]&Quot; (5) "

Figure 112013009418459-pat00007
Figure 112013009418459-pat00007

[수학식 6]&Quot; (6) "

Figure 112013009418459-pat00008
Figure 112013009418459-pat00008

여기서 [수학식 4] ~ [수학식 6]에서 사용된 값들은 그리드 전압, 그리드 전압의 변동값 및 에너지 저장장치의 용량 등에 대해 예를 들어 계산된 값이므로, 그리드 상황 및 에너지 저장장치의 종류 등에 따라 값이 달라질 수 있음은 물론이다. Here, the values used in the equations (4) to (6) are calculated values, for example, with respect to the grid voltage, the variation value of the grid voltage and the capacity of the energy storage device, It goes without saying that the value can be varied.

이와 같이 에너지 저장장치의 충전 상태(SOC) 및 그리드 전압에 따라 에너지 저장장치의 동작 전력을 3단계로 구분하여 드룹 제어기(130)의 등가저항(Rv)을 변경함으로써 에너지 저장장치에 과도한 부담을 주지 않으면서도 에너지 저장장치가 그리드의 전력 균형 제어 기능을 수행하게 할 수 있다.
In this way, the operating power of the energy storage device is divided into three levels according to the state of charge (SOC) and the grid voltage of the energy storage device, and the equivalent resistance Rv of the droop controller 130 is changed to give an excessive burden to the energy storage device The energy storage device can perform the power balance control function of the grid.

다음으로 도 4를 참조하여 에너지 저장장치의 충전 상태 관점에서 에너지 저장장치의 동작에 대해 설명한다. 에너지 저장장치의 과도한 충전 혹은 방전은 에너지 저장장치 수명에 악영향을 미치므로 에너지 저장장치의 충전 상태(SOC: stae of charge)는 신뢰성을 위해 고려해야할 중요한 요소이다. Next, the operation of the energy storage device in terms of the charging state of the energy storage device will be described with reference to FIG. The excessive charge or discharge of the energy storage device adversely affects the energy storage device life, so the energy storage device's state of charge (SOC) is an important factor to consider for reliability.

에너지 저장장치의 충전 상태(SOC) 영역 중에서 최대값(MAX)과 최소값(MIN) 까지 사용하는 것은 수명에 나쁜 영향을 미치므로 최대값과 최소값에 여유를 두어 Low ~ High 영역(예로는 충전 상태가 55% ~ 85%)에서 정상 모드로 운전하도록 한다. 이 정상 모드에서는 DC 그리드 전압에 따라 70% 또는 100% 전력으로 제어를 수행한다. 에너지 저장장치의 충전 상태(SOC)가 정해진 High를 초과하거나 Low보다 내려가게 되면 그리드 전압에 따라 에너지 저장장치 드룹 제어부의 등가저항을 조절하여 에너지 저장장치의 감당 용량을 10%로 변환시켜 주는 저전력 모드로 동작한다(그리드 전압에 따른 영향은 도 5를 참조하여 설명한다). 저전력 모드에서 에너지 저장장치 충전 상태가 다시 정상 영역으로 진입하게 되면 다시 정상 모드로 동작한다. 도 4에서는 저전력 모드에서 정상 모드로 진입하는 기준값으로 High의 5% 감소값(즉, High 값의 95%)과 Low의 5% 상승값 (즉, Low 값의 105%)을 사용하였고, 이는 정상 모드와 저전력 모드 사이에서의 빈번한 전환을 방지하기 위해 히스테리시스 기능을 부여한 것이다.
Use of the maximum value (MAX) and minimum value (MIN) in the SOC area of the energy storage device has a bad influence on the service life. 55% ~ 85%) to operate in normal mode. In this normal mode, control is performed at 70% or 100% power depending on the DC grid voltage. When the state of charge (SOC) of the energy storage device exceeds the predetermined high level or falls below the low level, the low power mode which converts the energy storage device capacity to 10% by adjusting the equivalent resistance of the energy storage device drupop control part according to the grid voltage (The influence of the grid voltage will be described with reference to FIG. 5). In the low power mode, when the charge state of the energy storage device enters the normal region again, it operates again in the normal mode. In FIG. 4, a 5% decrease value of High (95% of High value) and a 5% rise value of Low (105% of Low value) are used as a reference value for entering the normal mode in the low power mode, Hysteresis function is provided to prevent frequent switching between mode and low power mode.

도 5는 에너지 저장장치의 충전 상태(SOC)와 그리드 전압에 따른 에너지 저장장치의 동작 시퀀스를 구체적으로 설명하는 도면이다. 본 발명에서는 에너지 저장장치의 보호를 위해 에너지 저장장치의 충전 상태가 일정 범위이내인 경우를 정상 영역(예시적으로 55%∼85% 범위)으로 설정하고 정상 전력(예로는 70% 혹은 100%)으로 그리드 전력관리 시퀀스(power balancing control sequency)를 수행한다. 에너지 저장장치의 충전 상태가 정상 영역인 경우의 전력관리 시퀀스는 다시 그리드 전압에 따라 그리드 전압이 정격값의 일정 범위 이내(예로는 -3% ~ +3%)인 경우 70%의 전력을 사용하면서 에너지 저장장치의 부담을 줄여주고, 그리드 전압이 정격값의 일정 범위를 벗어난 경우에는 에너지 저장장치의 부담을 늘려 100%의 전력으로 빠르게 그리드 전력을 제어하도록 한다. 5 is a view for explaining the operation sequence of the energy storage device according to the charge state (SOC) of the energy storage device and the grid voltage. In the present invention, in order to protect the energy storage device, when the charge state of the energy storage device is within a predetermined range, the normal power (for example, 70% or 100%) is set as the normal region (55% To perform a power balancing control sequence. If the grid voltage is within a certain range of the rated value (for example, -3% to +3%), the power management sequence in the case where the charged state of the energy storage device is in the normal region is 70% If the grid voltage deviates from a certain range of the rated value, the burden of the energy storage device is increased and the grid power is quickly controlled with 100% power.

에너지 저장장치의 충전 상태가 상한값(예로는 85%)을 넘어서면 과충전 상태이다. 이 경우 그리드 전압을 고려하여, 그리드 전압도 정격보다 높아 에너지 저장장치가 계속 충전되는 경우에는 저전력(예로는 10% 전력)으로 제어하여 에너지 저장장치의 부담을 줄이고, 그리드 전압이 정격보다 낮아 에너지 저장장치가 과충전이기는 하지만 방전하는 경우에는 정상 전력으로 빠르게 방전하면서 그리드의 전력을 조절하게 한다. If the charge state of the energy storage device exceeds the upper limit value (for example, 85%), it is in an overcharged state. In this case, in consideration of the grid voltage, the grid voltage is higher than the rated value, so that when the energy storage device is continuously charged, the load of the energy storage device is controlled by controlling the low power (for example, 10% If the device is overcharged but discharges, it will quickly discharge with normal power and regulate the power of the grid.

에너지 저장장치 충전 상태가 하한값(예로는 55%) 이하로 낮아지면 과방전 상태이다. 이 경우 그리드 전압을 고려하여, 그리드 전압도 정격보다 낮으면 에너지 저장장치가 계속 방전하는 상태이므로 저전력(예로는 10% 전력)으로 제어하여 에너지 저장장치의 부담을 줄이고, 그리드 전압이 정격보다 높아 에너지 저장장치를 충전하는 경우 정상 전력으로 동작하여 빠르게 충전하면서 그리드 전력을 조율하도록 한다. If the charge state of the energy storage device drops below the lower limit value (for example, 55%), it is overdischarged. In this case, considering the grid voltage, if the grid voltage is lower than the rated value, the energy storage device is in a state of continuously discharging, so that the load of the energy storage device is controlled by controlling the low power (for example, 10% power) When the storage device is charged, it operates with normal power and quickly charges the grid power.

이와 같이 에너지 저장장치의 충전 상태(SOC)와 그리드 전압 양자를 고려하여 에너지 저장장치를 제어함으로써 에너지 저장장치의 부담을 줄이면서도 그리드 전력 균형을 맞출 수 있는 효과가 있다. 여기서, 에너지 저장장치의 충전 전력을 100%, 70%, 10% 등으로 제어하는 것은 앞서 설명한 바와 같이 에너지 저장장치용 드룹 제어기(130)의 출력단의 등가저항(Rv)를 변경하는 방법으로 수행된다. In this way, by controlling the energy storage device in consideration of both the state of charge (SOC) of the energy storage device and the grid voltage, the load of the energy storage device can be reduced, and the grid power balance can be balanced. Here, the control of the charge power of the energy storage device to 100%, 70%, 10%, etc. is performed by changing the equivalent resistance Rv of the output terminal of the droop controller 130 for the energy storage device as described above .

여기서 에너지 저장장치의 충전 상태의 기준값, 그리드 전압의 기준값 및 에너지 저장장치의 전력으로 예시된 값들은 본 발명에 따른 에너지 저장장치의 보호 및 그리드 전력 제어의 효과가 최대로 나타날 수 있는 값들로 선정한 것이기는 하나 에너지 저장장치의 종류, 그리드 망의 특성 등에 따라 다른 값들을 사용할 수도 있음은 물론이다. 또한 에너지 저장장치의 충전 상태 및 그리드 전압을 모두 고려하여 등가저항을 3단계로 변경하는 것을 예로 들어 설명하였으나, 에너지 저장장치의 충전 상태만 고려하거나 혹은 그리드 전압만을 고려하여 2단계로 등가저항을 변경할 수도 있음은 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
Here, the values of the reference value of the charged state of the energy storage device, the reference value of the grid voltage, and the power of the energy storage device are selected as the values at which the protection of the energy storage device according to the present invention and the effect of grid power control can be maximized But it goes without saying that other values may be used depending on the type of energy storage device, the characteristics of the grid network, and the like. In addition, although the equivalent resistance is changed to three levels in consideration of both the charging state and the grid voltage of the energy storage device, the charging state of the energy storage device may be considered or the equivalent resistance may be changed in two steps The possibilities can be easily understood.

이상에서 설명한 바와 같이 독립형 마이크로그리드에서 에너지 저장장치의 충전 상태(SOC)와 그리드 전압을 기준으로 3단계의 가변 저항값을 가지는 드룹 제어 방법을 사용하여 에너지 저장장치를 제어함으로써 순환전류를 억제하고 에너지 저장장치의 부담을 줄이면서도 마이크로그리드의 전력 균형을 제어할 수 있다. 구체적으로는 에너지 저장장치의 충전 상태가 정상 범위를 벗어나는 경우 드룹 제어기의 등가 저항이 최대 저항값으로 설정되고, 에너지 저장장치의 충전 상태가 정상 범위 이내인 경우에는 다시 그리드 전압에 따라 그리드 전압이 일정 범위 이내인 경우에는 중간 저항값으로 설정되며 그리드 전압이 일정 범위를 벗어난 경우에는 최소 저항값으로 설정됨으로써 에너지 저장장치의 부담을 줄이면서도 에너지 저장장치가 그리드 전력을 효과적으로 제어할 수 있게 한다. As described above, in the independent micro-grid, the energy storage device is controlled using the droop control method having variable resistance values in three stages based on the charge state (SOC) of the energy storage device and the grid voltage, It is possible to control the power balance of the microgrid while reducing the burden on the storage device. Specifically, when the charge state of the energy storage device is out of the normal range, the equivalent resistance of the droop controller is set to the maximum resistance value. If the charge state of the energy storage device is within the normal range, And is set to a minimum resistance value when the grid voltage is out of a certain range, thereby enabling the energy storage device to effectively control the grid power while reducing the burden on the energy storage device.

지금까지는 에너지 저장장치에 대해 충전 상태와 그리드 전압에 따른 3단계 가변 저항값을 가지는 드룹 제어 방법에 대하여 설명하였으나, 전압원의 기능을 하는 분산전원들(풍력 발전기, 태양광 어레이, 엔진 발전기 등)에도 동일한 원리를 적용하여 그리드 전압에 따라 가변 저항값을 가지는 드룹 제어 방법을 적용하여 그리드 전압에 따라 그리드로 공급되는 전력을 조절하면 그리드 전력 균형을 더 효율적으로 제어할 수 있게 된다.Although the droplet control method having the three-stage variable resistance value according to the charging state and the grid voltage has been described for the energy storage device, the distributed power sources (the wind power generator, the solar array, the engine generator, etc.) By applying the same principle and applying the droop control method having a variable resistance value according to the grid voltage, it is possible to control the grid power balance more efficiently by adjusting the power supplied to the grid according to the grid voltage.

이상 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 앞서 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
While the present invention has been described in connection with what is presently considered to be practical exemplary embodiments, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed embodiments, but, on the contrary, It will be appreciated by those skilled in the art that numerous changes and modifications can be made. Accordingly, all such appropriate modifications and changes, and equivalents thereof, should be regarded as within the scope of the present invention.

110 : 에너지 저장장치(ES)
120 : 에너지 저장장치용 전력변환 컨버터
130 : ES 드룹 제어기
131 : ES 드룹 제어기의 전압 제어기 132 : 등가저항
133 : 전압 제어기의 PI 보상기 210 : 부하(Load)
220 : 부하용 전력변환 컨버터 310 : 풍력 발전기(WG)
320 : 풍력 발전기용 전력변환 컨버터 330 : WG 분산 제어기
410 : 태양광 어레이(PV)
420 : 태양광용 전력변환 컨버터
430 : PV 분산 제어기 510 : 엔진 발전기(EG)
520 : 엔진 발전기용 전력변환 컨버터 530 : EG 분산 제어기
110: Energy storage device (ES)
120: Power Conversion Converter for Energy Storage
130: ES droop controller
131: Voltage controller of the ES droop controller 132: Equivalent resistance
133: PI compensator of the voltage controller 210: Load
220: load power conversion converter 310: wind power generator (WG)
320: Power conversion converter for wind power generator 330: WG dispersion controller
410: Solar Array (PV)
420: Solar power conversion converter
430: PV dispersion controller 510: Engine generator (EG)
520: Power converter for engine generator 530: EG dispersion controller

Claims (10)

적어도 하나 이상의 분산 전원과 에너지 저장장치를 포함하는 독립형(stand-alone) 마이크로그리드를 위한 가변 저항 방식의 드룹(droop) 제어 장치로서,
상기 에너지 저장장치의 제어기의 전압 기준값(Vdroop)이 아래의 [수학식 1]에 의해 설정되어 상기 에너지 저장장치가 상기 마이크로그리드로 전력을 공급하거나 전력을 수용하여 상기 마이크로그리드의 전력 균형을 조절하도록 하는 에너지 저장장치의 드룹 제어기를 포함하고,
상기 드룹 제어기의 등가 저항(Rv)은 에너지 저장장치의 충전 상태에 따라 저항값이 다르게 설정되는 것을 특징으로 하되,
상기 드룹 제어기의 등가 저항(Rv)은,
(a) 상기 에너지 저장장치의 충전 상태가 정상 범위보다 높아진 상태에서 계속 충전되는 경우이거나 충전 상태가 상기 정상 범위보다 낮아진 상태에서 계속 방전되는 경우이면 제1 저항값을 가지고,
상기 (a)의 경우 이외의 경우에는,
(b) 상기 전압 제어 기준값이 일정 범위 이내인 경우 제2 저항값을 가지며,
(c) 상기 전압 제어 기준값이 상기 일정 범위를 벗어난 경우 제3 저항값을 가지되,
상기 제1 저항값이 가장 크고, 상기 제2 저항값이 중간 크기이며, 상기 제3 저항값이 가장 작도록 설정되는 것을 특징으로 하는 독립형(stand-alone) 마이크로그리드를 위한 가변 저항 방식의 드룹(droop) 제어 장치.
[수학식 1]
Figure 112013118571685-pat00016

여기서, VDROOP 은 전압 제어 기준값, VRate 는 정격 전압, Rv는 등가 저항, IES 는 에너지 저장장치의 출력 전류이다.
A variable resistance droop control device for a stand-alone microgrid comprising at least one or more distributed power sources and an energy storage device,
(Vdroop) of the controller of the energy storage device is set by the following equation (1) so that the energy storage device supplies power to the microgrid or receives power to adjust the power balance of the microgrid And a droop controller of the energy storage device,
The equivalent resistance (Rv) of the droop controller is set differently depending on the state of charge of the energy storage device,
The equivalent resistance (Rv) of the drop-
(a) if the charging state of the energy storage device is continuously charged in a state where the charging state is higher than a normal range, or if the charging state is continuously discharged in a state where the charging state is lower than the normal range,
In the case other than the case of (a) above,
(b) a second resistance value when the voltage control reference value is within a predetermined range,
(c) a third resistance value when the voltage control reference value is out of the predetermined range,
Wherein the first resistance value is the largest, the second resistance value is the medium value, and the third resistance value is set to be the smallest. The variable resistor type droop for the stand-alone microgrid droop control device.
[Equation 1]
Figure 112013118571685-pat00016

Where V DROOP is the voltage control reference value, V Rate is the rated voltage, Rv is the equivalent resistance, and I ES is the output current of the energy storage device.
제1항에 있어서,
상기 드룹 제어기의 등가 저항(Rv)은 상기 에너지 저장장치의 충전 상태가 정상 범위 이내인 경우의 저항값이 상기 에너지 저장장치의 충전 상태가 상기 정상 범위를 벗어난 경우의 저항값보다 작게 설정되는 것을 특징으로 하는 독립형(stand-alone) 마이크로그리드를 위한 가변 저항 방식의 드룹(droop) 제어 장치.
The method according to claim 1,
The equivalent resistance Rv of the droop controller is set to be smaller than a resistance value when the charged state of the energy storage device is within the normal range and smaller than the resistance value when the charged state of the energy storage device is out of the normal range A variable resistance droop control device for a stand-alone micro-grid.
제1항 또는 제2항에 있어서
상기 드룹 제어기의 등가 저항(Rv)은 상기 전압 제어 기준값에 따라 저항값이 다르게 설정되는 것을 특징으로 하는 독립형(stand-alone) 마이크로그리드를 위한 가변 저항 방식의 드룹(droop) 제어 장치.
The method according to claim 1 or 2, wherein
Wherein the resistance value of the equivalent resistance Rv of the droop controller is set differently according to the voltage control reference value. The droop controller of the variable resistance type for the stand-alone micro-grid.
제3항에 있어서,
상기 드룹 제어기의 등가 저항(Rv)이 상기 전압 제어 기준값에 따라 저항값이 다르게 설정되는 것은, 상기 전압 제어 기준값이 일정 범위 이내인 경우의 저항값이 상기 전압 제어 기준값이 상기 일정 범위를 벗어난 경우의 저항값보다 크도록 설정되는 것을 특징으로 하는 독립형(stand-alone) 마이크로그리드를 위한 가변 저항 방식의 드룹(droop) 제어 장치.
The method of claim 3,
The reason why the resistance value of the equivalent resistor Rv of the droop controller is set differently according to the voltage control reference value is that the resistance value when the voltage control reference value is within a certain range is smaller than the resistance value when the voltage control reference value is out of the predetermined range And the resistance value is set to be larger than a resistance value of the variable resistance type droplet control device.
삭제delete 적어도 하나 이상의 분산 전원과 에너지 저장장치를 포함하는 독립형(stand-alone) 마이크로그리드를 위한 가변 저항 방식의 드룹(droop) 제어 방법으로서,
상기 에너지 저장장치의 드룹 제어기는, 제어기의 전압 기준값(Vdroop)이 아래의 [수학식 1]에 의해 설정되어 상기 에너지 저장장치가 상기 마이크로그리드로 전력을 공급하거나 전력을 수용하여 상기 마이크로그리드의 전력 균형을 조절하도록 에너지 저장장치를 제어하고,
상기 드룹 제어기의 등가 저항(Rv)은 에너지 저장장치의 충전 상태에 따라 저항값이 다르게 설정되는 것을 특징으로 하되,
상기 드룹 제어기의 등가 저항(Rv)은,
(a) 상기 에너지 저장장치의 충전 상태가 정상 범위보다 높아진 상태에서 계속 충전되는 경우이거나 충전 상태가 상기 정상 범위보다 낮아진 상태에서 계속 방전되는 경우이면 제1 저항값을 가지고,
상기 (a)의 경우 이외의 경우에는,
(b) 상기 전압 제어 기준값이 일정 범위 이내인 경우 제2 저항값을 가지며,
(c) 상기 전압 제어 기준값이 상기 일정 범위를 벗어난 경우 제3 저항값을 가지되,
상기 제1 저항값이 가장 크고, 상기 제2 저항값이 중간 크기이며, 상기 제3 저항값이 가장 작도록 설정되는 것을 특징으로 하는 독립형(stand-alone) 마이크로그리드를 위한 가변 저항 방식의 드룹(droop) 제어 방법.
[수학식 1]
Figure 112014041863067-pat00017

여기서, VDROOP 은 전압 제어 기준값, VRate 는 정격 전압, Rv는 등가 저항, IES 는 에너지 저장장치의 출력 전류이다.
A variable resistance droop control method for a stand-alone micro-grid including at least one or more distributed power sources and an energy storage device,
Wherein the droop controller of the energy storage device is configured such that a voltage reference value (Vdroop) of the controller is set by the following equation (1) so that the energy storage device supplies power to the microgrid or receives power, Control the energy storage device to regulate balance,
The equivalent resistance (Rv) of the droop controller is set differently depending on the state of charge of the energy storage device,
The equivalent resistance (Rv) of the drop-
(a) if the charging state of the energy storage device is continuously charged in a state where the charging state is higher than a normal range, or if the charging state is continuously discharged in a state where the charging state is lower than the normal range,
In the case other than the case of (a) above,
(b) a second resistance value when the voltage control reference value is within a predetermined range,
(c) a third resistance value when the voltage control reference value is out of the predetermined range,
Wherein the first resistance value is the largest, the second resistance value is the medium value, and the third resistance value is set to be the smallest. The variable resistor type droop for the stand-alone microgrid droop control method.
[Equation 1]
Figure 112014041863067-pat00017

Where V DROOP is the voltage control reference value, V Rate is the rated voltage, Rv is the equivalent resistance, and I ES is the output current of the energy storage device.
제6항에 있어서,
상기 드룹 제어기의 등가 저항(Rv)은 상기 에너지 저장장치의 충전 상태가 정상 범위 이내인 경우의 저항값이 상기 에너지 저장장치의 충전 상태가 상기 정상 범위를 벗어난 경우의 저항값보다 작게 설정되는 것을 특징으로 하는 독립형(stand-alone) 마이크로그리드를 위한 가변 저항 방식의 드룹(droop) 제어 방법.
The method according to claim 6,
The equivalent resistance Rv of the droop controller is set to be smaller than a resistance value when the charged state of the energy storage device is within the normal range and smaller than the resistance value when the charged state of the energy storage device is out of the normal range A variable resistance droop control method for a stand-alone microgrid.
제6항 또는 제7항에 있어서
상기 드룹 제어기의 등가 저항(Rv)은 상기 전압 제어 기준값에 따라 저항값이 다르게 설정되는 것을 특징으로 하는 독립형(stand-alone) 마이크로그리드를 위한 가변 저항 방식의 드룹(droop) 제어 방법.
The method according to claim 6 or 7, wherein
Wherein the resistance value of the equivalent resistance Rv of the droop controller is set differently according to the voltage control reference value. The droplet control method for a stand-alone micro-grid according to claim 1,
제8항에 있어서,
상기 드룹 제어기의 등가 저항(Rv)이 상기 전압 제어 기준값에 따라 저항값이 다르게 설정되는 것은, 상기 전압 제어 기준값이 일정 범위 이내인 경우의 저항값이 상기 전압 제어 기준값이 상기 일정 범위를 벗어난 경우의 저항값보다 크도록 설정되는 것을 특징으로 하는 독립형(stand-alone) 마이크로그리드를 위한 가변 저항 방식의 드룹(droop) 제어 방법.
9. The method of claim 8,
The reason why the resistance value of the equivalent resistor Rv of the droop controller is set differently according to the voltage control reference value is that the resistance value when the voltage control reference value is within a certain range is smaller than the resistance value when the voltage control reference value is out of the predetermined range And the resistance value is set to be larger than a resistance value of the variable resistor.
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